Strömningsströteori och tillämpningar

Definition av virvelströmmar

Enligt Lenz lag, när en ledande slinga utsätts för ett föränderligt magnetfält, genererar den en spänning som inducerar en ström som motverkar förändringen. På samma sätt, när ett magnetfält förändras genom ett ledbart kropp, som en tråd eller en platta, orsakar det att strömmar flödar genom materialets tvärsnitt.

Dessa strömmar har fått namnet virvelströmmar efter de små virvlande vattenströmmarna som observeras i sjöar och hav. Dessa virvelströmsloopar kan vara både gynnsamma och oönskade.

Även om de orsakar oönskade höga värmeavläggningar i material som transformerkärnor, hittar virvelströmmar tillämpningar i olika industriella processer som induktionsuppvärmning, metallurgi, svetsning, bromsning etc. Denna artikel behandlar teorin och tillämpningarna av virvelströmsfenomenet.

Virvelströmsförlust i transformer

Magnetfältet inuti en transformerkärna inducerar en spänning, vilket leder till virvelströmmar enligt Faradays lag och Lenz lag. I kärnavsnittet genererar magnetfältet B(t) från vindningsströmmen i(t) virvelströmmar ieddy.

Förlusterna på grund av virvelströmmar kan skrivas som följer :

Där, ke = konstant beroende på storlek och omvänt proportionell mot resistiviteten hos materialet,

f = frekvensen av anregningskällan,

Bm = toppvärde av magnetfältet och

τ = tjockleken på materialet.

Ovanstående ekvation visar att virvelströmsförlusten beror på flödestätheten, frekvensen och tjockleken på materialet och är omvänt proportionell mot resistiviteten hos materialet.

För att reducera virvelströmsförlusterna i transformer, görs kärnan av staplade tunna plattor kallade lamineringar. Varje platta är isolerad för att begränsa virvelströmmarna till små tvärsnittsområden, vilket minimerar deras väg och minskar förluster.

Detta visas i figuren nedan :

För att öka resistiviteten hos materialet används kallvalsad kornorienterad, CRGO-grad stål som kärna i transformer.

Egenskaper hos virvelströmmar

• De induceras endast inuti ledbara material.

• De distorsioneras av defekter som sprickor, korrosion, kanter etc.

• Virvelströmmar dämpas med djup med högst intensitet vid ytan.

Dessa egenskaper gör att virvelströmmar kan användas inom energi, flygvapen och petrokemiska industrier för att upptäcka metalliska sprickor och skador.

Tillämpningar av virvelströmmar

Magnetisk levitation: Detta är en typ av repulsiv levitation som hittar tillämpning i moderna snabbtåg, Maglev, för att erbjuda friktionsfri transport. Den föränderliga magnetiska flödesstyrkan producerad av en superledande magnet placerad på det rörliga tåget producerar virvelströmmar på den stationära ledbara plattan över vilken tåget svävar. Virvelströmmarna interagerar med magnetfältet för att producera lyftkrafter.

Hypertermia cancerbehandling: Virvelströmsuppvärmning används för vävnadsuppvärmning. Virvelströmmar induceras i ledbara rör genom närliggande trådvindningar anslutna till en kondensator för att forma en tankcirkuit som är ansluten till en radiofrekvenskälla.

Virvelströmsbroms: Kinetisk energi omvandlas till värme på grund av virvelströmsförluster hittar många tillämpningar inom industrin.

• Bromsning av tåg.

• Bromsning av berg-och-dalbanor.

• Elsav eller borr för dess nödstopp.

  
  

Induktionsuppvärmning: Denna process elektriskt uppvärmer ett ledbart kropp genom att inducera virvelströmmar med en högfrekvent elektromagnet. Den används främst för induktionskokning, ugnar för att smälta metaller, svetsning och löddring.

Virvelströmsjusterbart hastighetsdriv: Med hjälp av en återkopplingskontroll kan ett virvelströmskopplat hastighetsdriv uppnås. Det hittar tillämpningar inom metallformning, band, plastbehandling etc.

Metaldetektorer: Det upptäcker närvaron av metaller inuti stenar, jord etc. med hjälp av virvelströmsinduktion i metallen om den finns.

Datahanteringstillämpningar: Eddy current non-destructive testing används för att undersöka sammansättningen och hårdheten av metallkonstruktioner.